压电超声换能器电路终端匹配.docx

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1、压电超声换能器电端匹配电路研究徐春龙，胡卓蕊，田华(1.陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安710062； 2.长安大学理学院， 陕西西安710064)摘要：为了提高压电超声换能器的系统效率，保证换能器安全工作，利用换能器等 效电路方法，分析了匹配电路的调振匹配和阻抗匹配功能.提出了频率跟踪结合数 字电感实现调谐匹配的方法，并对调谐匹配方法进行了实验验证.以含源网络电路 分析方法为基础，从理论上证明了实现换能器阻抗匹配的最佳条件.实验结果表明， 频率跟踪结合数字电感实现调谐匹配的方法是有效的.关键词：压毛换能器；等效电路；调谐匹配中图分类号：TB 559文献标识码：A在压电超声换能器应用

2、中，匹配电路有很重要的作用：一是调谐匹配，即通过匹配 电路调节换能器阻抗，使换能器尽量接近纯阻状态，减少无功分量.二是阻抗匹配， 即改变换能器电路的阻抗，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功 率.若匹配不当，将导致换能器不能正常工作，还可能导致换能器损坏1 .所以， 很多学者对匹配电路进行了较详细的研究3，主要有如下特点：在调谐匹配方面， 大多数匹配电路不考虑换能器工作中的动态变化，采用换能器空载时的静态匹配.当 换能器谐振频率随着负载变化时，匹配电路失去调谐匹配功能，导致换能器品质下 降，发热等现象.鲍善惠6 等提出锁相环频率跟踪的方法来解决频率漂移与锁定问 题实现动态匹配，但没

3、有解决匹配电感动态变化的问题.朱同7等人提出了用数字 电感来实现匹配电感的动态变化，但仅考虑了换能器的夹持电容的匹配，没有考虑 频率漂移的问题.在阻抗匹配方面，大多数研究者将换能器视为纯电阻，认为只要 保证换能器与电源之间的电阻相等即可实现阻抗匹配，没有考虑换能器非纯电阻状 态的阻抗匹配问题.本文基于换能器等效电路分析方法，提出将频率跟踪与数字电感相结合的方法来实 现换能器的动态调谐匹配，并选取了自制加工换能器进行了实验，实验结果表明这 种方法对换能器的动态调谐匹配行之有效.在阻抗匹配方面，本文根据含源二端网 络电路分析，分两种情况从理论上证明了阻抗匹配的最佳条件，为进一步研究换能 器匹配提出

4、了新思路.1压电换能器的等效电路与动态匹配的原理根据换能器等效电路分析方法8，压电换能器工作在谐振状态时的等效电路如图 1(a)所示.C0为静态夹持电容，L1为动态电感，C1为动态电容，R1为包含负载和损耗在内的等效电 阻.当换能器串联支路谐振时，即换能器工作在串联谐振频率，f1/尊氟vTTcT)时，L1与C1电抗相消，换能器等效电路变换为图1(b).此时将匹配电感L串联到 电路中，如图1(c)所示，只要L满足匹配电感的电抗即可与静态夹持电容的电抗相消，换能器等效电路图变换为图 1(d).加上匹配电感后，处在串联谐振频率上的换能器可等效为一个纯电阻元件.这 是压电换能器调谐匹配的基本原理.考虑

5、到换能器的等效电阻R1与前段电源电阻 不相等，通常利用变压器等匹配电路实现电源与换能器电阻相等来实现换能器的阻 抗匹配.图1(c)中加入的电感L称为匹配电感，这也是最简单的调谐匹配电路.换能器工作 在其他谐振频率(如并联谐振频率fp)上的调谐匹配方法可用类似的等效电路变换得 到，不再赘述.换能器实际工作时，由于负载力、温度、湿度等随时变化，将导致换能器谐振频率 发生漂移，换能器等效电路不能再简化为图1,匹配电感L也不再起到匹配电路应有的调谐匹配作用.所 以匹配电路要随着换能器谐振频率漂移而改变匹配电感大小，实现动态调谐匹配才有意义.能够实现动 态调谐匹配的电路称为动态匹配电路.动态电路要满足两

6、个条件：一是频率跟踪，即确定换能器频率漂移的 方向及大小.二是动态匹配电感，根据电路频率漂移带来的电压和电流的位相关系，即时调整匹配电 感量，达到电压和电流同相位，使换能器达到纯电阻状态.2频率跟踪与数字电感结合实现动态调谐匹配2. 1频率跟踪调谐匹配原理图2是锁相环PLL(PhaseLocked Loop)电路跟踪换能器工作频率的原理图，Tr是压电换能器.电压取样 和电流取样 经过波形变换后送人鉴相器PD(PhaseDetector)，由PD给出它们的相位误差信号Ve,Ve经过低通滤波器后作为压控振荡器VCO(Voltage-Controlled Oscillator)的控制电压Vo.VCO

7、的振荡频率随着Vo的变化而调整，而输入换能器的振荡频率由VCO来决 定，所以这个电路实现了输入换能器的信号频率根据换能器工作电流和电压的相位 变化来调整的频率跟踪功能.当电流和电压同相位时，VCO输出频率稳定，此时电 路总电抗X=XL+XTr=0，换能器频率处于锁定状态.当换能器频率漂移导致电流和 电压再次不同相位时，电路启动频率跟踪，重新完成输入信号频率调整，保证换能 器处于谐振状态.以 M j图2 频率跟踪庖航原理2. 2数字电感调谐匹配频率跟踪电路能够实现换能器谐振频率跟踪功能，保证换能器工作在谐振频率上.根 据调谐匹配原理，如果匹配电路中的匹配电感L为定值，匹配电感产生的电抗不能 消除

8、换能器频率漂移后的电抗，匹配电路仍不能完成调谐匹配.此时需要随着谐振 频率变化而即时调整的动态电感L，根据匹配原理。1心“）口（2）式中fs为频率漂移后的串联谐振频率，C0为频率漂移、温度变化后的夹持电容.由 此可见，匹配电感必需随换能器状态变化而调整电感大小.通常的匹配电感是通过 改变电感铁芯的气隙间距来实现电感大小的改变，并且气隙间距与电感量值具有非 线性关系，很难实现电感变化的自动控制.本文提出了一种改进的数字电感来实现匹配电路的动态匹配.数字电感由可调基准 电感和数字自动控制调节串联电感组成，结构如图3所示.L0是基准可调电感，K0 至K6为继电式开关，对应的控制电感量分别为0. 05

9、, 0. 1, 0. 2, 0. 4, 0. 8，1. 6和3. 2mH.当K0至K6对应开关闭合时，电感被短路失效，当开关打开时， 对应电感量计入总电感.继电开关由单片机Pi 口的Pi0 一 Pi6控制，当Pi 口输出 高电平时，开关Ki断开，电感量计入，当Pi 口输出低电平时，开关Ki闭合，电感 量不计入.Pi 口输出数字的大小代表了匹配 电感的大小，数字电感的总电感量LD为一。 （3）根据匹配原理（2）式，当数字电感量LD=L时，换能器可实现即时调谐匹配.（3）式 中Lmax为数字自动控制调节部分最大电感量，等于6. 35mH.数字自动控制调节 部分的分辨率为0. 05mH，实际电感不匹

10、配量为分辨率的一半即0. 025mH，对一 般超声换能器是完全可以接受的.匹配总电感量LD由L0与Lmax来决定，由于L0是可调电感，所以匹配电感量比一般的数字电感具有更大的调整范围，这种改进 的数字电感能够满足更多大功率换能器的调谐匹配应用要求，具有广泛的适用性.3. 2mH 1. C, EaH 0. C. 2mH 0. ImH 0, OSniH斜3数字电感原母图控制数字电感Pi 口单片机的驱动电压由图2中鉴相器(PD)和低通滤波器(LF)控制.数字电感匹配电路首先需校准才能使用.校准的方法是，通过调整基准电感L0 和单片机起始电压，将换能器调整在空载且谐振状态，此时需保证Pi 口信号的P6

11、 口打开，对应电感接近最大电感Lmax=6. 35mH的一半即3. 2mH.在换能器工 作中，整个数字电感量LD可以调整的范围为L0 一 3. 2 mH至到 L0+3. 15 mH.2. 3频率跟踪与数字电感结合实现调谐匹配根据频率跟踪与数字电感匹配的原理，将两种动态匹配方法相结合，来实现换能器 工作的动态调谐匹配，工作原理如图4所示.图4滕率眼踪与数字电感结合蝇谐匹配椎图选用一个自制加工用超声换能器来进行动态调谐匹配实验.换能器串联谐振频率 fs=19. 51kHz，理论串联匹配电感L=6. 45mH，静态夹持电容Co=10. 31nF.数 字电感基准电感L0可调范围为045mH，单片机控制

12、数字电感调整范围为0 6. 35mH，数字电感可满足该换能器调谐匹配需求.实验首先进行基准校准.将压控振荡器调整在19. 51kHz，调整数字电感的基准电 感Lo,使单片机输出信号为40H，即P6继电器打开，其余均闭合，直到来自于低 通滤波器的调整信号为零.改变换能器的负载，分别加上不同重量的等效负载，用数字示波器检测换能器工作 频率，记录单片机输出信号，观察换能器振动状态及发热情况.实验数据见表1.表1晦率跟踪与数字藏感结合堀i宵匹配实验敬据等皴鱼载 kg谐振翔率小田E 口揄出撩动状森震热情况辱救负莪浩振额率/kHz口输出振动019. 51良好不发热，19.3535 H319. 364CE4

13、良好不发热12戚37一_19. 315AFI良好不发热1519、3E25H从表1数据中可以看出，当换能器负载变化时，换能器谐振频率发生了漂移，压控 振荡器VCO能自动调整输入换能器的信号频率.数字电感会随着工作频率的变化 自动调整匹配电感的大小，换能器始终处在较好的谐振状态，发热情况控制良好.实 验结果验证这种结合频率跟踪和数字电感的调谐匹配电路行之有效.3阻抗匹配的电路分析换能器匹配电路还需进行阻抗匹配以保证电源的能量最大可能地传递给换能器.本 文将换能器和超声频电源看成一个含源二端网络，通过电路分析得到在不同条件下 的最佳的阻抗匹配条件.3. 1换能器等效含源二端网络将超声频电源与换能器的

14、连接电路等效为一个含源二端网络的等效电路图如图5所 示.超声频电源由等效电压源Us和内阻Rs组成，含源二端网络电源端等效阻抗 Zs=Rs+jXs .将换能器视为含源二端网络的负载端，等效负载阻抗Zi=Ri+jXi.3. 2最佳阻抗匹配条件根据换能器工作的实际情况，以下分两种情况来讨论换能器获得电源最大功率的条 件.3. 2. 1换能器达到完全动态调谐状态 当换能器能达到动态调谐匹配时，换能器 可视为纯电阻负载.由图5可知，换能器Zi变化时，电路中电流有效值为I = uj 瘁夜冥 +(x+xy换能器获得的功率为Pi=RF =田L(R + R) + (咒+跄叮换能器处在调谐匹配状态，且电源内阻为纯

15、电阻，显然有Xi=Xs=0,换能器获得的 电功为.令Pf对R的导数为零求Pi极大值蛆=(兄+凡尸一2(R + R)R讨=,dRj氏了 + E)由此可得Ri=Rs (5)这个最佳阻抗匹配应用条件为，换能器处于谐振状态且与调谐匹配电路完全匹配而 且换能器可视为纯电阻元件.换能器要从电源得到最大的功率，须满足换能器等效 电阻与电源内阻相等.此时，电路传输功率的效率为V = FR/WRj + FR.HOO% = 50%显然，电源的电能只有50%传递给了换能器，传输的效率还不高.另外，换能器工 作时的等效电阻会随着负载的变化不断变化，要满足(5)式的条件，还需要开发具有 阻抗自适应的超声频电源.3. 2

16、. 2非纯电阻电路匹配如果换能器没有达到调谐匹配，而且|Zi|可变，但电压 与电流相角z固定时.阻抗匹配满足的条件不同于以上结论.假设换能器的等效阻抗为乙=| Zf I sb甲 + j I Z( | si 口中电路中的电流为I= V (R+l I cos9) +jX +r z( |换能器得到的功率为p =I Zf 滓审,一(R +| 乙 | 祐勰 + (X, +| 乙siny 求(6)式对|Zi |的导数来计算换能器获得电功率极大值的条件.令了j专3 =。可得|乙=X；即在这种情况下，换能器获得最大电功率的条件是：换能器阻抗的模与电源内阻的模 相等.当电源内阻是纯电阻时，即I z I-R，最大

17、传输功率条件是R, =*=，与前一种情况得到的最佳阻抗匹配结果Ri=Rs不同.当电源内阻为非纯电阻时，即Zs=Rs-jXs，通过计算可得到含源二端网络实现最大 传输功率的条件为负载阻抗等于电源内阻抗的共轭，即Zi=Zs以上阻抗匹配结论说明，换能器在不同工作状态下应考虑不同的阻抗匹配方式.当 换能器能达到动态调谐匹配时，最佳阻抗匹配条件为Ri=Rs,当不能实现动态调谐匹 配时，最佳阻抗匹配条件为f华成耳角|4结论本文以等效电路和含源二端网络电路分析方法分析了压电超声换能器匹配电路的调 谐匹配和阻抗匹配，得到了以下结论.(1) 调谐匹配：提出频率跟踪结合数字电感实现换能器动态调谐匹配的新方法，选用

18、 自制加工换能器进行了实验.实验中，匹配电路能够完成频率跟踪，数字电感能实 现动态匹配，在不同负载下换能器均能处在良好的谐振状态，换能器发热得到了明 显改善，结果表明这种方法能够实现压电超声换能器的动态调谐匹配.(2) 阻抗匹配：换能器匹配电路能达到动态调谐匹配时，换能器可以视为纯电阻元件， 匹配电路的最佳阻抗匹配条件为Ri=Rs,换能器不能实现动态调谐匹配时，换能器最 佳阻抗匹配条件为要实现阻抗完全动态匹配，需要具有阻抗输出自适应的超声频电源.参考文献：1 林书玉.功率超声技术的研究现状及其最新进展J.陕西师范大学学报：自然 科学版，2001，29(1)： 01106.2 SHEAR M D

19、，FOSTER F S. The design and fabrication of high frequency poly transducersJ. Ultrasonic，1989，26(3)： 5964.3 COATS R，MATHAMS R F. Design of matching networks for acoustic transducersJ. Ultrasonic，1988，23(3)： 5964.4 林书玉.压电换能器电端匹配电路及其分析J .压电与声光，1992,14(4): 2932.5 鲍善惠.压电换能器的动态匹配J.应用声学，1998, 17(2)； 1620.6 鲍善惠.用锁相环电路跟踪压电换能器并联谐振频率区J .应用声学，2001, 20(3)： 1-5.7 朱武，张佳民，金长善，等.基于数字电感的压电换能器动态匹配研究J.应 用声学，2000，19(2)： 3I-34.8 林书玉.超声换能器的原理及设计M.北京：科学出版社，2004： 238244.9 鲍善惠.压电换能器与匹配电感的耦合振荡J.陕西师范大学学报：自然科学 版，1998，26(3)； 4851.10 鲍善惠，王艳东.压电换能器在并联谐振频率附近特性的研究J.声学技术， 2006，25(2)： 165168.